EP2583379A2 - Verfahren und vorrichtung zur anpassung eines drehzahlbereichs eines elektromotors - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur anpassung eines drehzahlbereichs eines elektromotors

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EP2583379A2
EP2583379A2 EP11722450.1A EP11722450A EP2583379A2 EP 2583379 A2 EP2583379 A2 EP 2583379A2 EP 11722450 A EP11722450 A EP 11722450A EP 2583379 A2 EP2583379 A2 EP 2583379A2
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EP
European Patent Office
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electric motor
measurements
speed
nmax
time
Prior art date
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Application number
EP11722450.1A
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English (en)
French (fr)
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EP2583379B1 (de
Inventor
Falko Abel
Eberhard Weidner
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BSH Hausgeraete GmbH
Original Assignee
BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP2583379B1 publication Critical patent/EP2583379B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/12—Monitoring commutation; Providing indication of commutation failure

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for adapting a rotational speed range of an electric motor.
  • Brushless DC motors also referred to as BLDC motors ("brushless direct current motor”)
  • BLDC motors brushless direct current motor
  • the task of the motor controller of a BLDC motor is to set the times of the commutations so that The motion of the rotor and the phase times of the applied voltages are synchronous and in phase
  • the electromotive force, EMF, and back emf of the motor is measured and the zero crossing of the emf is determined to draw conclusions about the position of the To draw rotor and generate based on the detected position control signals.
  • the EMF can be measured by various methods.
  • a simple possibility is to simulate the terminal voltage via an artificial neutral point at which the EMF can be measured independently of the switching state after demagnetization.
  • a disadvantage of this method is the additional switching effort and higher losses caused by the artificial star point.
  • the switch-off times of the pulse width modulation represent measuring windows within which the measurements can be carried out.
  • the required size of these measurement windows is determined by the speed of the A / D converter for further processing of the measurement signal.
  • the demagnetization of the motor winding must be awaited before the measurement. This results in a further measuring window, which is determined by the time of demagnetization of the motor winding and the time of the subsequent commutation.
  • the time required for the demagnetization is load-dependent and increases with the absolute current. Although the duration of the demag- However, it can not be reduced by active switching measures, but it nevertheless remains load-dependent. Due to the time scales in the PWM grid, it is difficult to consider this load dependency by means of load measurements.
  • Document DE 698 03 885 T2 discloses a control device for electric motors in which a control unit gives the switching means a switching frequency and a switching duration, which are set such that the voltage value actually applied to the windings is the one independent of Switching state of the switching means corresponds to the speed and the torque required by the electric motor.
  • Document DE 699 36 222 T2 discloses a system and a method for protecting an electric motor and its drive circuit. It is thus an object of the present invention to provide a method and a device for adjusting the speed range of an electric motor, with which the possible speed range of the electric motor can be better utilized without causing a tilting of the motor. According to one embodiment, a method for adapting a rotational speed range of an electric motor is provided, comprising the following steps:
  • the measurements of the measured variable can each be carried out within the predetermined period of time until a criterion for detecting a zero crossing of the electromotive force is fulfilled. Based on the thus detected zero crossing of the electromotive force thus the next commutation can be initiated.
  • the method may further comprise the following steps:
  • the maximum allowable speed may be reduced and the maximum allowable speed may be increased if the count of the event occurrence counter is one does not exceed the second limit. If the maximum speed were always decremented or decreased, if the determined number of measurements falls below a certain critical value, and incremented or increased, if the determined number of measurements exceeds this critical value, then the system would easily oscillate around it critical value. Furthermore, with these additional method steps, it is possible to extend the speed range of the electric motor even more since the speed is reduced only when the number of measurements per electrical period drops permanently and not just once below the first limit value.
  • the maximum permissible speed is increased only under the condition that the determined number of measurements exceeds a third limit, which is greater than the first limit. In this way, a hysteresis is provided which prevents or at least dampens vibrations of the system. Thus, a slow approach to the highest possible torque, in which the engine just does not tilt.
  • the maximum allowable speed is increased only under the condition that the count value of the event occurrence counter does not exceed the second threshold value for a predetermined period of time.
  • the event occurrence counter may be reset to zero, for example, by resetting the count of the event occurrence counter.
  • the measured variable may be, for example, a terminal voltage of the electric motor.
  • the terminal voltage of the electric motor is suitable for determining the zero crossing of the back EMF, since its course corresponds in sections to the course of the back EMF.
  • the electric motor can be designed, for example, as a synchronous motor, in particular as a brushless DC motor.
  • the predetermined period of time correspond to an electrical period of the electric motor.
  • the predetermined period of time may correspond to at least one measurement window between demagnetization and commutation of a winding strand of the electric motor.
  • the number of measurements to detect the zero crossing of a rising edge of the back EMF and the number of measurements to detect the zero crossing of a falling edge of the back EMF can be counted with separate counters whose counts are then summed up.
  • the counter values of the counters can be summed up in a weighted manner.
  • the electromotive force is, in particular, a counter-EMF induced in one of the winding phases when the electric motor rotates.
  • a device for adapting a rotational speed range of an electric motor which is configured to carry out the method described above, can be designed, for example, as a motor control.
  • the electric motor can be used, for example, as a drive for a compressor, in particular in a refrigeration device.
  • a refrigeration appliance is understood in particular to be a household refrigeration appliance, that is to say a refrigeration appliance used for household purposes or possibly even in the gastronomy sector, and in particular for storing food and / or beverages in household quantities at specific temperatures, such as, for example, a refrigerator, a freezer , a fridge freezer, a freezer or a wine storage cabinet.
  • Fig. 1 is an equivalent circuit diagram of an electric motor 100, which is designed as a brushless DC motor or BLDC motor;
  • FIG. 2 is a graph schematically illustrating the waveform of motor current and back EMF and the switching states of the switches T1 to T6;
  • 3 shows diagrammatically the profile of the terminal voltage on a winding strand, the winding-induced induced back EMF and the winding current through the winding strand; 4 is a diagram illustrating a current mode and a voltage mode; 5 is a flowchart of a method for adjusting the speed range of the electric motor.
  • Fig. 1 shows an equivalent circuit diagram of an electric motor 100, which is designed as a brushless DC motors or BLDC motor and can be used for example as a compressor drive in a refrigerator.
  • the electric motor 100 has a power supply 110, an inverter bridge 120, three motor windings 130U, 130V, 130W, and a motor controller 160.
  • the power supply 110 provides an intermediate circuit voltage between an intermediate circuit supply potential and an intermediate circuit ground.
  • the inverter bridge 120 has six switches T1 to T6, which are arranged in the form of a B6 bridge and supply the windings 130U, 130V and 130W with power. More specifically, two switches T1 and T2, T3 and T4 and T5 and T6 are connected in series between the DC link supply potential and the DC link ground. The nodes between the switches T1 and T2, T3 and T4 and T5 and T6 are connected to one side of the winding strands 130U, 130V and 130W, respectively. On its other side, the winding strands 130U, 130V and 130W are connected to a star point 140.
  • a resistor 150 is provided between the inverter bridge 120 and the power supply 1 10 on the side of the intermediate circuit ground.
  • the switches T1 to T6 may, for example, each comprise a power transistor and a freewheeling diode connected in parallel therewith.
  • the switches n to T6 are driven by control signals X1 to X6 provided by a motor controller 160.
  • the winding strands 130 are driven such that a rotating magnetic field is generated in which a rotor comprising a permanent magnet rotates.
  • the electric motor 100 is thus a three-stranded permanent magnet
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating the waveform of motor current and reverse emf and the switching states of the switches T1 to T6.
  • the bold solid lines represent the switching states of the switches T1 to T6
  • the dashed lines represent the winding currents lu, Iv and Iw through the winding strands 130U, 130V and 130W
  • the thin solid line represent the back EMFs Eu, Ev, Ew generated in the winding strings 130U, 130V and 130W.
  • FIG. 2 shows the course during an electrical period T, which in turn is subdivided into six subperiods of the time duration T / 6, which each correspond to a 60 ° section.
  • the three winding strands 130U, 130V and 130W are each driven with an offset of 120 °.
  • the switches T1 and T4 are switched on or switched off and all other switches are switched off or nonconductive, so that the motor current Im flows through the winding line 130U through the star point 140 via the winding line 130V to the intermediate circuit ground.
  • commutation from winding line 130V to winding line 130W occurs by turning off switch T4 and turning on switch T6.
  • the switches T1 and T6 are turned on so that the motor current Im flows through the winding string 130U through the neutral point 140 via the winding string 130W to the intermediate circuit ground.
  • a second commutation takes place from the winding strand 130U to the winding strand 130V, by switching off the switch T1 and switching on the switch T3.
  • the switches T3 and T6 are turned on, so that the motor current Im flows through the winding line 130V through the neutral point 140 via the winding line 130W to the intermediate circuit ground. According to this pattern, therefore, two of the winding strands 130 are always live and the third winding strand 130 is de-energized.
  • T 1 / (pxn) (1) where n is the speed and p is the number of pole pairs of the motor.
  • the motor controller 160 adjusts the timings of the commutations so that the movement of the rotor and the phase times of the applied voltages are synchronous and in phase. In this case, it is concluded from the back EMF of the motor, that is, the voltages induced by the magnetic field of the rotor in the winding strands 130 of the stator to the position of the rotor.
  • a characteristic quantity for this purpose is the zero crossing of the back emf, which is marked in each case with "Z" in Figure 2.
  • the commutation can be initiated, for example, delayed by a predetermined period of time after the detected zero crossing, this time depending on the speed and / or load In Fig. 2, the timings of the commutation are each marked with "C".
  • the winding current has an inertia due to the inductance of the winding coil.
  • the current Iu through the winding string 130U increases over a certain rise time period when the switch T1 is turned on, and when the switch T1 is turned on, the current I out drops to zero over a period corresponding to the demagnetization time of the winding string 130U.
  • the winding current has decayed to zero only at time "D.”
  • the commutation is thus characterized by the three events D, Z and C, ie the time D of demagnetization of the previously current-carrying line, time Z of the zero-crossing detection and time C of the active triggered commutation after a predetermined time.
  • FIG. 3 diagrammatically shows the profile of the terminal voltage Uv at the winding strand 130V, the back-EMF Ev induced in the winding strand 130V, and the winding current Iv through the winding strand 130V.
  • the curves were taken from a simulation.
  • the winding current Iv clearly shows the six sections of the electrical period: 60 ° negative current in phase with one of the two other phases, 60 ° no current, 60 ° positive current in phase with one of the other two phases, 60 ° positive current in Phase with the other of the other two phases, 60 ° no current and 60 ° negative current in phase with the other of the other two phases.
  • the terminal voltage Uv After the current has decayed through the winding strand 130V, the terminal voltage Uv also drops. This is followed by a time window or measuring window Tm1, during which the course of the terminal voltage Uv corresponds to the profile of the counter-EMF to be measured. In this measuring window Tm1, there is also a zero crossing of the reverse emf, which coincides with the course of the terminal voltage at half the DC link voltage. During the measuring window Tm1, the terminal voltage assumes a saw tooth shape-like course. This is because, in this period, current flows through the winding strings 130U and 130W due to PWM driving of the switches n and T6.
  • the switches T1 and T6 are alternately turned on, whereby the potential of the neutral point is alternately pulled high in the direction of 5V and down toward the intermediate circuit ground.
  • a measurement of the terminal voltage Uv or the back EMF Ev is possible only at the times when the switch T3 is turned off, as will be explained below.
  • the time window Tm1 ends with a commutation which connects the winding line 130V to the DC link supply potential, so that the winding line 130V is driven with a pulse-width-modulated voltage, as explained below.
  • a commutation which connects the winding line 130V to the DC link supply potential, so that the winding line 130V is driven with a pulse-width-modulated voltage, as explained below.
  • After another 60 ° there is another de-energized section, again showing a current drop to zero during demagnetization, followed by an anti-EMF image.
  • the regulation of the power supply to the motor windings takes place via a pulse width modulation, PWM.
  • the duty cycle is used as a measure of the duty cycle of the PWM-modulated terminal voltage
  • the duty cycle is the ratio between duty cycle and cycle time and thus has a value between 0% and 100%
  • the PWM for driving the electric motor 100 can in current mode or in current mode or in voltage mode
  • Fig. 4 shows a diagram which shows both methods The current mode in the left half and the voltage mode in the right half of the diagram are illustrated.
  • a counter (not shown in detail) generates reference values or counts which are incremented from an output value Z0 to a maximum value Zmax, such that a triangular pattern or a triangular profile over time is considered results.
  • the motor current is set by means of a comparator circuit in the two-point method. If the count value of the counter reaches the comparison value Z_cm, then the pulse width modulated voltage is switched on.
  • the duty cycle results from the timing of the shutdown of the PWM pulse by the drive circuit. More specifically, for example, a current comparator, the target current and the current actual current can be supplied. If the actual current reaches the setpoint current, the pulse width modulated voltage is switched off. 3 shows an example in the current mode. As can be seen in FIG. 3, the control of the winding strand 130V takes place after the second commutation, wherein the actual current is initially below the desired current, so that a duty cycle of 100% is present. If the actual current reaches the setpoint current, the duty cycle is automatically reduced and the characteristic PWM pattern is recognizable.
  • a desired voltage is calculated by the motor controller 160 and the duty cycle of the PWM is impressed. This can be done, for example, by the motor controller 160 determining a comparison value Z_vm and comparing it with the current count value, wherein the PWM voltage is switched on when the count value Z is greater than or equal to Z_vm and less than or equal to Zmax.
  • the torque is impressed in the current mode and the speed in the voltage mode.
  • the choice of operating mode is made depending on the load behavior and the requirements of the electric motor 100. Depending on whether high speed constancy, low noise, vibration or energy efficiency are desired, the appropriate mode is selected.
  • the operating mode can be defined when the electric motor 100 is switched on, or also as a function of be switched to the operating conditions. A mixture of operating modes is possible.
  • a delay time of, for example, 4 s is waited for, which corresponds to the count value Z_delay.
  • a certain period of, for example, 20 ⁇ s must be provided, which corresponds to the response time of the AD converter for the measurement.
  • the time of the rising PWM edge in the voltage mode corresponding to the count value Z_vm depends on the operating conditions, so that the time window in the voltage mode is variable.
  • the cycle of duty increases and the PWM pulses shown in FIG. 4 become wider, but the PWM cycle time remains the same.
  • the electrical period T which is inversely proportional to the rotational speed, and thus also the measuring window Tm1, see FIG. 3.
  • the control thus becomes a control, and there is a risk that the engine tilts.
  • the method described below is based on the idea of monitoring the number of measurements made of the back EMF or of an indicative measured variable for this purpose and to ensure that at least a predetermined number of measurements are carried out, or in other words, that in FIG. 3 measuring window Tm1 between demagnetization and commutation is sufficiently large.
  • the back EMF is determined based on a measurement of the terminal voltage Uv in the winding section 130V, but of course it is also possible to use one or more of the other winding sections.
  • a maximum allowable rotational speed Nmax is initialized, in this case e.g. 2000 rpm.
  • This maximum permissible speed Nmax is a variable stored, for example, in a memory in the control unit 160, which is variable by the present method as a function of the current operating conditions, e.g. the load is set, and which is less than or equal to the physically possible maximum speed of the motor.
  • the control unit 160 controls the speed of the electric motor 100 such that the actual speed does not exceed the maximum permissible speed Nmax.
  • step S20 the measurement counters Zrf, Zff and the event occurrence counter Zevent are initialized to zero.
  • the measuring counters Zrf, Zff respectively count the number of measurements made on the rising edge and the falling edge of the back EMF.
  • the event occurrence counter Zevent will be explained below.
  • step S30 it is awaited that the demagnetization is completed after the first commutation, which can be recognized, for example, from the fact that the winding current Iv reaches the value 0.
  • step S40 the terminal voltage Uv is measured, the time of this measurement being within the measurement windows Tm1 and Tm2 described above.
  • the counter Zrf which indicates the number of measurements with rising edge of the back EMF, eg by 1 increments.
  • step S60 the measured terminal voltage Uv is compared with a threshold value Uv_th. If Uv is greater than Uv_th, it means that the back EMF has exceeded zero in its rising edge, and the process proceeds to step S70. Otherwise, the process returns to step S40 and the measurement is repeated. For example, the time of the next commutation can be determined on the basis of the detected zero crossing of the back EMF.
  • step S70 the demagnetization is completed after the fourth commutation, which is e.g. can be recognized that the winding Ström Iv reaches or falls below the value 0.
  • step S80 the terminal voltage Uv is measured, and in the subsequent step S90, the counter Zff indicating the number of measurements on the falling edge of the back EMF is detected by e.g. 1 increments.
  • step S100 the measured terminal voltage Uv is compared with a threshold value Uv_th. If Uv is less than Uv_th, it means that the back EMF has dropped below zero, and the process proceeds to step S110. Otherwise, the process returns to step S80 and the measurement is repeated. For example, the time of the next commutation is determined on the basis of the detected zero crossing of the back EMF.
  • step S1 10 the count values Zrf and Zff are added up to the sum Zsum.
  • the value of Zsum thus corresponds to the number of measurements of the terminal voltage Uv which is indicative of the electromotive force of the electric motor within an electric period T. It is also possible to add up the count values Zrf and Zff by making a weighting in a certain ratio, So for example, the counts Zrf the rising edge to consider more. Thus, it is possible to consider qualitative differences in the measurements with rising and falling edge.
  • step S120 the value Zsum is compared with a first threshold Zth, which in the present example is 3. If Zsum is smaller than the first threshold Zth, then the process jumps to step S130, otherwise it jumps to step S140.
  • a first threshold Zth which in the present example is 3.
  • step S130 the event occurrence counter Zevent is incremented by one. This event occurrence counter Zevent counts how many times less than the critical number of measurements are made during one electrical period. If, on the other hand, Zsum is not smaller than the first limit value Zth, ie not smaller than 3, then the event occurrence counter Zevent is reset to zero in step S140.
  • step S150 the event occurrence counter Zevent is set to a second threshold Zth2, e.g. 4, compared. If Zevent is greater than the second limit value Zth2, then the procedure jumps to step S160, otherwise it jumps to step S170.
  • a second threshold Zth2 e.g. 4, compared. If Zevent is greater than the second limit value Zth2, then the procedure jumps to step S160, otherwise it jumps to step S170.
  • step S160 the maximum allowable speed Nmax is reduced, for example, by reducing the current value Nmax by a predetermined value of, for example, 50 rpm.
  • step S170 the maximum allowable speed Nmax is incremented under certain conditions.
  • One possible condition for incrementing is that the event occurrence counter Zevent is zero for a given time interval.
  • Another possible condition is that the, possibly averaged, sum Zsum of the two measurement counter Zrf and Zff reaches a limit which is higher than the limit value 3.
  • a hysteresis is set for increasing the speed, which allows a more stable operation.
  • Another possible condition is that the maximum permissible speed Nmax must not exceed a physically possible speed of the electric motor under the most favorable conditions.
  • step S160 or S170 the process returns to step S20 and the measurements of the EMF are performed again.
  • the maximum permissible speed Nmax there is a dynamic adaptation of the maximum permissible speed Nmax to the current load conditions. If, for example, the actual rotational speed N is increased continuously, then the electrical period T decreases, and thus also the measuring window Tm1 during which the measurement is to be carried out.
  • the method described above ensures that a certain minimum number of measurements, in the present example 3 measurements, are made per electrical period. As a tilt criterion, it is therefore stipulated here that the number of measurements is less than 3. If this tilt criterion is given, then the maximum permissible speed Nmax is withdrawn until the tilt criterion is no longer met. In this way, the drive can be adapted to the load conditions and the actual speed can be approached to the physically possible limit. Thus, the speed range is extended, while ensuring that the engine does not tip or becomes unstable.
  • the measurements are counted with rising and falling edges of the back EMF with separate counters, which allows a weighted summation, but it is also possible to count the number of measurements with only a single counter.
  • Tm1 Tm2 measurement window

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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  • Control Of Electric Motors In General (AREA)

Abstract

Ein Verfahren zur Anpassung eines Drehzahlbereichs eines Elektromotors umfasst die folgenden Schritte: - Durchführen einer Anzahl von Messungen einer Messgröße, die für eine elektromotorische Kraft des Elektromotors indikativ ist, innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer; - Ermitteln der Anzahl (Zsum) der innerhalb der vorbestimmten Zeitdauer vorgenommenen Messungen, und - Anpassen einer maximal zulässigen Drehzahl (Nmax) des Elektromotors in Abhängigkeit von der ermittelten Anzahl (Zsum) von Messungen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Anpassung eines Drehzahlbereichs eines Elektromotors
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Anpassung eines Drehzahlbereichs eines Elektromotors.
Bürstenlose Gleichstrommotoren, auch als BLDC-Motoren (aus dem Englischen:„brush- less direct current motor") bezeichnet, werden beispielsweise als Kompressorantrieb in Kühlschränken verwendet. Aufgabe der Motorsteuerung eines BLDC-Motors ist es, die Zeitpunkte der Kommutierungen so einzustellen, dass die Bewegung des Rotors und die Phasenzeiten der angelegten Spannungen synchron und in Phase sind. Im sogenannten sensorlosen Betrieb wird die elektromotorische Kraft, EMK, bzw. Gegen-EMK des Motors gemessen und der Nulldurchgang der EMK wird bestimmt, um daraus Rückschlüsse auf die Lage des Rotors zu ziehen und auf Basis der ermittelten Lage Steuersignale zu erzeugen.
Die EMK kann mittels verschiedener Verfahren gemessen werden. Eine einfache Möglichkeit ist es, die Klemmenspannung über einen künstlichen Sternpunkt nachzubilden, an welchem die EMK nach der Demagnetisierung schaltzustandsunabhängig gemessen werden kann. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch der durch den künstlichen Stern- punkt bedingte zusätzliche Schaltaufwand und höhere Verluste.
Als Verfahren ohne zusätzlichen Sternpunkt ist es möglich, die Tatsache zu nutzen, dass innerhalb der Ausschaltzeiten der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Motorwicklungen, die Klemmenspannung des Motors der EMK direkt folgt. Die Ausschaltzeiten der Pulsweitenmodulation (PWM) stellen Messfenster dar, innerhalb dessen die Messungen durchgeführt werden können. Die erforderliche Größe dieser Messfenster ist durch die Geschwindigkeit des A/D-Wandlers zur Weiterverarbeitung des Messsignals bestimmt. Ferner muss vor der Messung die Demagnetisierung der Motorwicklung abgewartet werden. Es ergibt sich also ein weiteres Messfenster, welches bestimmt ist durch den Zeit- punkt der Demagnetisierung der Motorwicklung und den Zeitpunkt der darauffolgenden Kommutierung. Die für die Demagnetisierung erforderliche Zeitdauer ist jedoch lastabhängig und vergrößert sich mit dem Absolutstrom. Zwar kann die Zeitdauer der Demagne- tisierung durch aktive Schaltungsmaßnahmen reduziert werden, sie bleibt aber nichtsdes- totrotz lastabhängig. Aufgrund der Zeitmaßstäbe im PWM-Raster ist es schwierig, diese Lastabhängigkeit mittels Lastmessungen zu berücksichtigen.
Bei dem oben beschriebenen Ansatz ist es also erforderlich, einen Maximalwert für die Drehzahl festzulegen, welcher sicherstellt, dass die bei maximaler Last und maximaler Drehzahl vorliegenden Messfenster immer noch in einem Rahmen liegen, der eine Messung der EMK ermöglicht. Dies bedeutet aber, dass der tatsächlich mögliche Drehzahlbereich bei geringeren Lasten nicht voll ausgeschöpft wird. Es ist auch nicht möglich, die Drehzahl bei festgelegten Messzeitpunkten über ein gewisses Maß hinaus zu steigern, da dann die Gefahr besteht, dass die Nulldurchgänge der EMK zu spät oder gar nicht erkann werden und es somit zum Kippen bzw. einer Instabilität des Motors kommt. Die Druckschrift DE 601 24 121 T2 schlägt vor, die Spannungen in den drei Phasen des Motors abzutasten, mathematisch zu behandeln, zu einem Parameter, der proportional zu der Drehzahl des Motors ist, zu summieren, und dann miteinander zu vergleichen. Das Ergebnis dieses Vergleichs bestimmt den Kommutierungsmoment der Phasen. Die Druckschrift DE 699 36 222 T2 offenbart ein System und ein Verfahren zum Erfasseb des Auftretens von Spitzenströmen an Elektromotoren, welches lediglich einen Stromdetektor verwendet, der auf eine bevorzugte Grenze eingestellt ist.
Die Druckschrift DE 698 03 885 T2 offenbart eine Steuerungsvorrichtung für elektrische Motoren, bei der eine Steuereinheit den Schalteinrichtungen eine Schaltfrequenz und eine Schaltdauer vorgibt, die so festgelegt sind, dass der Spannungswert, der tatsächlich an die Wicklungen angelegt ist, derjenige ist, der unabhängig vom Schaltzustand der Schalteinrichtungen der Drehzahl und dem Drehmoment entspricht, die vom Elektromotor gefordert werden.
Die Druckschrift DE 699 36 222 T2 offenbart ein System und ein Verfahren zum Schutz eines Elektromotors und dessen Ansteuerschaltung. Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine Anpassung des Drehzahlbereichs eines Elektromotors bereitzustellen, mit welchen der mögliche Drehzahlbereich des Elektromotors besser ausgeschöpft werden kann, ohne dass es zu einem Kippen des Motors kommt. Gemäß einer Ausgestaltung wird ein Verfahren zur Anpassung eines Drehzahlbereichs eines Elektromotors bereitgestellt, mit den folgenden Schritten:
- Durchführen einer Anzahl von Messungen einer Messgröße, die für eine elektromotorische Kraft des Elektromotors indikativ ist, innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer;
- Ermitteln der Anzahl der innerhalb der vorbestimmten Zeitdauer vorgenommenen Mes- sungen, und
- Anpassen einer maximal zulässigen Drehzahl des Elektromotors in Abhängigkeit von der ermittelten Anzahl von Messungen.
Mit diesem Verfahren ist eine dynamische Anpassung des Drehzahlbereichs an die Be- triebsbedingungen des Elektromotors möglich, so dass bei unterschiedlichen Lasten der Drehzahlbereich optimal ausgenutzt werden kann.
Die Messungen der Messgröße können jeweils innerhalb der vorbestimmten Zeitdauer durchgeführt werden, bis ein Kriterium zur Erkennung eines Nulldurchgangs der elektro- motorischen Kraft erfüllt ist. Auf Basis des somit erkannten Nulldurchgangs der elektromotorischen Kraft kann somit die nächste Kommutierung veranlasst werden.
Das Verfahren kann weiterhin folgende Schritte aufweisen:
- Inkrementieren des Zählwerts eines Ereignisauftrittzählers, falls die ermittelte Anzahl von Messungen einen ersten Grenzwert unterschreitet,
- Dekrementieren oder Zurücksetzen des Zählwerts des Ereignisauftrittzählers, falls die ermittelte Anzahl von Messungen den ersten Grenzwert überschreitet, und
- Anpassen der maximal zulässigen Drehzahl in Abhängigkeit vom Zählwert des Ereignisauftrittzählers.
Genauer gesagt kann die maximal zulässige Drehzahl reduziert werden, falls der Zählwert des Ereignisauftrittzählers einen zweiten Grenzwert überschreitet, und die maximal zulässige Drehzahl kann vergrößert werden, falls der Zählwert des Ereignisauftrittzählers einen zweiten Grenzwert nicht überschreitet. Würde die maximale Drehzahl stets dekrementiert bzw. verringert werden, falls die ermittelte Anzahl von Messungen einen bestimmten kritischen Wert unterschreitet, und inkrementiert bzw. vergrößert werden, falls die ermittelte Anzahl von Messungen diesen kritischen Wert überschreitet, dann würde das System leicht in Schwingungen um diesen kritischen Wert geraten. Ferner ist es mit diesen zu- sätzlichen Verfahrensschritten möglich, den Drehzahlbereich des Elektromotors noch mehr auszuweiten, da die Drehzahl erst dann reduziert wird, wenn die Anzahl der Messungen pro elektrischer Periode dauerhaft und nicht nur einmalig unter den ersten Grenzwert fällt. Es ist auch möglich vorzusehen, dass die maximal zulässige Drehzahl nur unter der Bedingung vergrößert wird, dass die ermittelte Anzahl von Messungen einen dritten Grenzwert überschreitet, der größer ist als der erste Grenzwert. Auf diese Weise wird eine Hysterese vorgesehen, welche Schwingungen des Systems verhindert oder zumindest dämpft. Somit erfolgt ein langsames Herantasten an das größtmögliche Drehmoment, bei welchem der Motor gerade noch nicht kippt.
Es ist auch möglich vorzusehen, dass die maximal zulässige Drehzahl nur unter der Bedingung vergrößert wird, dass der Zählwert des Ereignisauftrittzählers den zweiten Grenzwert für eine vorgegebene Zeitdauer nicht überschreitet.
Der Ereignisauftrittzähler kann beispielsweise durch ein Zurücksetzen des Zählwerts des Ereignisauftrittzählers auf Null zurückgesetzt werden.
Die Messgröße kann beispielsweise eine Klemmenspannung des Elektromotors sein. Die Klemmenspannung des Elektromotors ist zur Feststellung des Nulldurchgangs der Ge- gen-EMK geeignet, da ihr Verlauf abschnittsweise dem Verlauf der Gegen-EMK entspricht.
Der Elektromotor kann beispielsweise als Synchronmotor, insbesondere als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet sein. Dabei kann die vorbestimmte Zeitdauer einer elektrischen Periode des Elektromotors entsprechen. Alternativ dazu kann die vorbestimmte Zeitdauer mindestens einem Messfenster zwischen Demagnetisierung und Kommutierung eines Wicklungsstrangs des Elektromotors enstprechen. Die Anzahl der Messungen zur Erkennung des Nulldurchgangs einer steigenden Flanke der Gegen-EMK und die Anzahl der Messungen zur Erkennung des Nulldurchgangs einer fallenden Flanke der Gegen-EMK kann mit separaten Zählern gezählt werden, deren Zählwerte anschließend aufsummiert werden. Dabei können die Zählwerte der Zähler gewichtet summiert werden. Somit ist es möglich, qualitative Unterschiede in den Messungen bei steigender und fallender Flanke zu berücksichtigen.
Die elektromotorischen Kraft ist insbesondere eine bei Drehung des Elektromotors in einer der Wicklungsstränge induzierte Gegen-EMK.
Eine Vorrichtung zur Anpassung eines Drehzahlbereichs eines Elektromotors, welche eingerichtet ist, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen, kann beispielsweise als Motorsteuerung ausgebildet sein.
Der Elektromotor kann beispielsweise als Antrieb für einen Kompressor, insbesondere in einem Kältegerät, verwendet werden. Unter einem Kältegerät wird insbesondere ein Haushaltskältegerät verstanden, also ein Kältegerät das zur Haushaltsführung in Haushalten oder eventuell auch im Gastronomiebereich eingesetzt wird, und insbesondere dazu dient Lebensmittel und/oder Getränke in haushaltsüblichen Mengen bei bestimmten Temperaturen zu lagern, wie beispielsweise ein Kühlschrank, ein Gefrierschrank, eine Kühlgefrierkombination, eine Gefriertruhe oder ein Weinlagerschrank.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Dabei zeigen
Fig. 1 ein Ersatzschaltbild eines Elektromotors 100, welcher als bürstenloser Gleichstrommotor bzw. BLDC-Motor ausgebildet ist;
Fig. 2 einen Graphen, welcher schematisch den Signalverlauf von Motorstrom und Gegen-EMK sowie die Schaltzustände der Schalter T1 bis T6 darstellt;
Fig. 3 diagrammatisch den Verlauf der Klemmenspannung an einem Wicklungsstrang, der im Wicklungsstrang induzierten Gegen-EMK, sowie dem Wicklungsstrom durch den Wicklungsstrang; Fig. 4 ein Diagramm, welches einen Strommodus und einen Spannungsmodus illustriert; Fig. 5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Anpassung des Drehzahlbereichs des Elektromotors.
Falls nichts anderes angegeben ist, bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Figuren gleiche oder funktionsgleiche Elemente.
Fig. 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Elektromotors 100, welcher als bürstenloser Gleichstrommotoren bzw. BLDC-Motor ausgebildet ist und beispielsweise als Kompressorantrieb in einem Kühlschrank verwendet werden kann. Der Elektromotor 100 weist eine Spannungsversorgung 1 10, eine Wechselrichterbrücke 120, drei Motorwicklungen bzw. Wicklungsstränge 130U, 130V, 130W und eine Motorsteuerung 160 auf.
Die Spannungsversorgung 1 10 stellt eine Zwischenkreisspannung zwischen einem Zwi- schenkreisversorgungspotential und einer Zwischenkreismasse bereit. Die Wechselrich- terbrücke 120 weist sechs Schalter T1 bis T6 auf, welche in Form einer B6-Brücke angeordnet sind und die Wicklungsstränge 130U, 130V und 130W mit Strom versorgen. Genauer sind jeweils zwei Schalter T1 und T2, T3 und T4 bzw. T5 und T6 in Reihe zwischen dem Zwischenkreisversorgungspotential und der Zwischenkreismasse angeschlossen. Die Knoten zwischen den Schaltern T1 und T2, T3 und T4 bzw. T5 und T6 sind jeweils mit einer Seite der Wicklungsstränge 130U, 130V und 130W verbunden. An ihrer anderen Seite sind die Wicklungsstränge 130U, 130V und 130W mit einem Sternpunkt 140 verbunden. Ferner ist zwischen der Wechselrichterbrücke 120 und der Spannungsversorgung 1 10 auf Seiten der Zwischenkreismasse ein Widerstand 150 vorgesehen. Die Schalter T1 bis T6 können beispielsweise jeweils einen Leistungstransistor und eine dazu parallel geschaltete Freilaufdiode umfassen. Die Schalter n bis T6 werden mittels Steuersignalen X1 bis X6 angesteuert, die von einer Motorsteuerung 160 bereitgestellt werden. Dabei werden die Wicklungsstränge 130 derart angesteuert, dass ein rotierendes Magnetfeld erzeugt wird, in welchem ein einen Permanentmagneten umfassender Rotor rotiert. Der Elektromotor 100 ist also ein dreisträngiger Permamentmagnet-
Synchronmotor, der mittels der B6-Wechselrichterbrücke 120 mit einer dreiphasigen Spannung gespeist wird. Fig. 2 ist ein Diagramm, welches schematisch den Signalverlauf von Motorstrom und Ge- gen-EMK sowie die Schaltzustände der Schalter T1 bis T6 darstellt. Dabei stellen die fette durchgezogenen Linien die Schaltzustände der Schalter T1 bis T6 dar, die gestrichelten Linie stellen die Wicklungsströme lu, Iv und Iw durch die Wicklungsstränge 130U, 130V und 130W dar, und die dünnen durchgezogenen Linie stellen die Gegen-EMKs Eu, Ev, Ew dar, die in den Wicklungsstränge 130U, 130V und 130W erzeugt werden. Das Diagramm in Fig. 2 zeigt dabei den Verlauf während einer elektrischen Periode T, welche ihrerseits in sechs Teilperioden der Zeitdauer T/6 unterteilt ist, die jeweils einem 60°- Abschnitt entsprechen. Die drei Wicklungsstränge 130U, 130V und 130W werden jeweils mit einem Versatz von 120° angesteuert. Während der ersten Teilperiode sind die Schal- ter T1 und T4 eingeschaltet bzw. leitend geschaltet und alle übrigen Schalter ausgeschaltet bzw. nicht leitend geschaltet, so dass der Motorstrom Im durch den Wicklungsstrang 130U durch den Sternpunkt 140 über den Wicklungsstrang 130V zur Zwischenkreismasse fließt. Am Ende dieser ersten Teilperiode erfolgt eine Kommutierung vom Wicklungsstrang 130V auf den Wicklungsstrang 130W, indem der Schalter T4 ausgeschaltet und der Schalter T6 eingeschaltet wird. Während dieser zweiten Teilperiode sind die Schalter T1 und T6 eingeschaltet, so dass der Motorstrom Im durch den Wicklungsstrang 130U durch den Sternpunkt 140 über den Wicklungsstrang 130W zur Zwischenkreismasse fließt. Am Ende dieser zweiten Teilperiode erfolgt eine zweite Kommutierung vom Wicklungsstrang 130U auf den Wicklungsstrang 130V, indem der Schalter T1 ausgeschaltet und der Schal- ter T3 eingeschaltet wird. Während dieser dritten Teilperiode sind die Schalter T3 und T6 eingeschaltet, so dass der Motorstrom Im durch den Wicklungsstrang 130V durch den Sternpunkt 140 über den Wicklungsstrang 130W zur Zwischenkreismasse fließt. Entsprechend diesem Muster sind also stets zwei der Wicklungsstränge 130 stromführend und der dritte Wicklungsstrang 130 stromlos. Dabei wird jeder einzelne Wicklungsstrang 130 reihum für 2 x 60° = 120° an das Zwischenkreisversorgungspotential geschaltet, dann für 60° stromlos geschaltet, dann für 2 x 60° = 120° an die Zwischenkreismasse geschaltet und dann wieder für 60° stromlos geschaltet.
Pro elektrischer Periode T werden also sechs Schaltzustände angesteuert, wobei sich die elektrischer Periode T ergibt aus
T = 1 / (p x n) (1 ) wobei n der Drehzahl und p der Polpaarzahl des Motors entspricht.
Die Motorsteuerung 160 stellt die Zeitpunkte der Kommutierungen so ein, dass die Bewegung des Rotors und die Phasenzeiten der angelegten Spannungen synchron und in Phase sind. Dabei wird aus der Gegen-EMK des Motors, also den vom Magnetfeld des Rotors in den Wicklungssträngen 130 des Stators induzierten Spannungen auf die Lage des Rotors geschlossen. Eine kennzeichnende Größe ist hierfür der Nulldurchgang der Gegen-EMK, welcher in Fig. 2 jeweils mit„Z" gekennzeichnet ist. Die Kommutierung kann beispielsweise um eine vorgegebene Zeitdauer verzögert nach dem erkannten Nulldurchgang veranlasst werden, wobei diese Zeitdauer drehzahl- und/oder lastabhängig sein kann. In Fig. 2 sind die Zeitpunkte der Kommutierung jeweils mit„C" gekennzeichnet. Ferner ist in Fig. 2 erkennbar, dass der Wicklungsstrom eine durch die Induktivität der Wicklungsspule bedingte Trägheit aufweist. So steigt der Strom lu durch den Wicklungsstrang 130U bei Einschalten des Schalters T1 über eine bestimmte Anstiegszeitdauer an, und bei Einschalten des Schalters T1 fällt der Strom lu ab auf Null über eine Zeitdauer, die der Demagnetisierungszeitdauer des Wicklungsstrangs 130U entspricht. Erst zum Zeitpunkt„D" ist der Wicklungsstrom auf Null abgeklungen. Die Kommutierung ist also durch die drei Ereignisse D, Z und C gekennzeichnet, also Zeitpunkt D der Demagnetisie- rung des zuvor Strom führenden Stranges, Zeitpunkt Z der Nulldurchgangserkennung und Zeitpunkt C der aktiv ausgelösten Kommutierung nach einer vorbestimmten Zeit.
Fig. 3 zeigt diagrammatisch den Verlauf der Klemmenspannung Uv am Wicklungsstrang 130V, der im Wicklungsstrang 130V induzierten Gegen-EMK Ev, sowie dem Wicklungsstrom Iv durch den Wicklungsstrang 130V. Die Verlaufskurven wurden einer Simulation entnommen. Am Wicklungsstrom Iv sind deutlich die sechs Teilabschnitte der elektrischen Periode zu erkennen: 60° negativer Strom in Phase mit einer der beiden anderen Phasen, 60° kein Strom, 60° positiver Strom in Phase mit einer der anderen beiden Phasen, 60° positiver Strom in Phase mit der anderen der anderen beiden Phasen, 60° kein Strom und 60° negativer Strom in Phase mit der anderen der beiden anderen Phasen. Wie in Fig. 3 deutlich erkennbar ist, fließt zunächst ein Strom durch den Wicklungsstrang 130U zum Sternpunkt und über den Wicklungsstrang 130V zur Zwischenkreismasse. Mit der ersten Kommutierung wird der Schalter T4 geöffnet und die beiden Schalter T1 und T6 geschlossen. In diesem Zustand versucht die Induktivität des Wicklungsstrangs 130V den Strom Iv aufrechtzuerhalten, und dieser fließt über die Freilaufdiode des Schalters T3 zu- rück. Der Wicklungsstrom Iv steigt also auf Null über eine Zeitdauer, die der Demagneti- sierung des Wicklungsstranges 130V entspricht. Während dieser Zeitdauer ist die Klemmenspannung Uv über die stromführende Freilaufdiode auf die Versorgungsspannung, z.B. 5 V, festgeklemmt. Nach Abklingen des Stroms durch den Wicklungsstrangs 130V fällt auch die Klemmenspannung Uv ab. Es folgt ein Zeitfenster bzw. Messfenster Tm1 , währenddessen der Verlauf der Klemmenspannung Uv dem Verlauf der zu messenden Gegen-EMK entspricht. In diesem Messfenster Tm1 liegt auch ein Nulldurchgang der Ge- gen-EMK, welcher mit dem Verlauf der Klemmenspannung bei halber Zwischenkreis- spannung zusammenfällt. Während dem Messfenster Tm1 nimmt die Klemmenspannung eine sägezahnform- ähnlichen Verlauf an. Dies liegt daran, dass in diesem Zeitraum ein Stromfluss durch die die Wicklungsstränge 130U und 130W aufgrund einer PWM-Ansteuerung der Schalter n und T6 stattfindet. Es werden also die Schalter T1 und T6 abwechselnd durchgeschaltet, wodurch dass Potential des Sternpunkts abwechselnd hoch in Richtung 5V und hinunter in Richtung Zwischenkreismasse gezogen wird. Eine Messung der Klemmenspannung Uv bzw. der Gegen-EMK Ev ist dabei nur zu den Zeiten möglich, zu denen der Schalter T3 ausgeschaltet ist, wie weiter unten noch erläutert werden wird.
Das Zeitfenster Tm1 endet mit einer Kommutierung, die den Wicklungsstrang 130V mit dem Zwischenkreisversorgungspotential verbindet, so dass der Wicklungsstrang 130V mit einer, wie weiter unten erläutert, pulsweitenmodulierten Spannung angesteuert wird. Nach weiteren 60° erfolgt die Kommutierung in einem der anderen beiden Stränge, so dass der Strom zu dieser Zeit eine veränderte Form aufweist. Nach weiteren 60° folgt ein weiterer stromloser Abschnitt, wobei auch hier zunächst ein Abfallen des Stroms auf Null während der Demagnetisierung zu beobachten ist, gefolgt von einem Abbild der Gegen-EMK.
Die Regelung der Energiezufuhr zu den Motorwicklungen erfolgt über eine Pulsweitenmodulation, PWM. Hierbei wird der„Dutycycle" als Maß für die relative Einschaltdauer der PWM-modulierten Klemmenspannung verwendet. Der Dutycycle ist das Verhältnis zwi- sehen Einschaltdauer und Taktzeit und hat somit einen Wert zwischen 0% und 100%. Die PWM zur Ansteuerung des Elektromotors 100 kann im Strommodus oder im Strommodus oder im Spannungsmodus geschehen. Fig. 4 zeigt ein Diagramm, welches beide Verfah- ren illustriert, wobei der Strommodus in der linken Hälfte und der Spannungsmodus in der rechten Hälfte des Diagramms dargestellt ist.
Beiden Verfahren gemein ist, dass beispielsweise in der Motorsteuerung 160 ein nicht näher dargestellter Zähler Referenzwerte bzw. Zählwerte erzeugt, die von einem Aus- gangswert Z0 bis zu einem Maximalwert Zmax inkrementiert werden, so dass sich über die Zeit betrachtet ein Dreiecksmuster bzw. dreiecksförmiger Verlauf ergibt.
Im Strommodus wird der Motorstrom mittels einer Komparatorschaltung im Zweipunktverfahren eingestellt. Erreicht der Zählwert des Zählers den Vergleichswert Z_cm, dann er- folgt das Einschalten der pulsweitenmodulierten Spannung. Im Strommodus ergibt sich der Dutycycle durch den Zeitpunkt der Abschaltung des PWM-Pulses durch die Ansteuerschaltung. Genauer gesagt können beispielsweise einem Stromkomparator der Soll- Strom und der momentane Ist-Strom zugeführt werden. Erreicht der Ist-Strom den Soll- Strom, dann erfolgt das Ausschalten der pulsweitenmodulierten Spannung. Fig. 3 zeigt beispielhaft eine Ansteuerung im Strommodus. Wie in Fig. 3 erkennbar ist, erfolgt die An- steuerung des Wicklungsstranges 130V nach der zweiten Kommutierung, wobei der Ist- Strom zunächst unter dem Soll-Strom liegt, so dass ein Dutycycle von 100% vorliegt. Erreicht der Ist-Strom den Soll-Strom, dann erfolgt automatisch eine Absenkung des Duty- cycles und das charakteristische PWM-Muster ist erkennbar.
Im Spannungsmodus wird dagegen von der Motorsteuerung 160 eine Sollspannung berechnet und die relative Einschaltdauer der PWM wird eingeprägt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Motorsteuerung 160 einen Vergleichswert Z_vm bestimmt und mit dem aktuellen Zählwert vergleicht, wobei ein Einschalten der PWM- Spannung erfolgt, wenn der Zählwert Z größer oder gleich Z_vm und kleiner oder gleich Zmax ist.
Mit anderen Worten wird im Strommodus das Drehmoment eingeprägt und im Spannungsmodus die Drehzahl. Die Wahl des Betriebsmodus erfolgt in Abhängigkeit vom Lastverhalten und den Anforderungen an den Elektromotor 100. Je nachdem, ob hohe Drehzahlkonstanz, geringer Geräuschentwicklung, Schwingungen oder Energieeffizienz erwünscht sind, wird die entsprechende Betriebsart gewählt. Dabei kann die Betriebsart bei Einschalten des Elektromotors 100 festgelegt werden, oder auch in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen umgeschaltet werden. Auch eine Mischung der Betriebsarten ist möglich.
Beiden Verfahren ist ferner gemein, dass die Messung der Gegen-EMk innerhalb eines Messfensters vor der steigenden Flanke der PWM-modulierten Spannung zu erfolgen hat. Hierdurch ergibt sich ein Zeitfenster bzw. Messfenster Tm2, während dessen die Klemmenspannung Uv zu messen ist. Fig. 4 illustriert beispielhaft die Ansteuerung des Schalters T1 , weicher den Stromfluss durch den Wicklungsstrang 130U bestimmt, innerhalb des Zeitfensters Tm1 , wobei die linke Seite in Fig. den Strommodus illustriert. Die Zeitpunkte t1 , t2 und t3 stellen mögliche Messzeitpunkte dar. Die minimale Größe dieses Messfensters Tm2 ist bestimmt durch eine Verzögerungszeit und die Geschwindigkeit des AD-Wandlers für die Messung. So wird im Strommodus nach der fallenden PWM-Flanke zunächst eine Verzögerungszeit von beispielsweise 4us abgewartet, welche dem Zählwert Z_delay entspricht. Ferner muss zwischen der Messung und der steigenden PWM- Flanke ein bestimmter Zeitraum von beispielsweise 20us vorgesehen sein, welcher der Reaktionszeit des AD-Wandlers für die Messung entspricht. Da im Strommodus die steigende PWM-Flanke feststeht, ist auch die Größe des Messfensters Tm2 festgelegt und die Messung kann stets zu einem Zeitpunkt stattfinden, der dem Zählwert Z_delay entspricht. Dagegen hängt der dem Zählwert Z_vm entsprechende Zeitpunkt der steigenden PWM-Flanke im Spannungsmodus von den Betriebsbedingungen ab, so dass das Mess- zeitfenster im Spannungsmodus variabel ist. Somit ist es möglich, den Messzeitpunkt, welcher dem Zählwert Z_trigger_vm entspricht, mit einem größeren„Sicherheitsabstand" von den PWM-Flanken zu setzen, z.B. zu einem Zeitpunkt, der (Z_vm - Z0) / 2 entspricht.
Wird nun bei der oben beschriebenen Regelung die Drehzahl erhöht, dann erhöht sich zum einen der Dutycycle und die in Fig. 4 dargestellten PWM-Pulse werden breiter, wobei jedoch die PWM-Taktzeit gleich bleibt. Zum anderen verkürzt sich die zur Drehzahl invers proportionale elektrische Periode T und somit auch das Messfenster Tm1 , siehe Fig. 3. Im Grenzfall wird ein Zustand erreicht, in welchem das Messfenster Tm1 so kurz ist, dass nur noch eine einzige Messung der Klemmenspannung pro EMK-Flanke möglich ist. Die Kommutierung erfolgt dann in einem festgelegten Abstand nach dieser Messung. In diesem Grenzfall wird aus der Regelung somit eine Steuerung, und es besteht die Gefahr, dass der Motor kippt. Zwar ist es möglich, die maximal zulässige Drehzahl auf einen Wert festzusetzen, der auch unter extremen Lastbedingungen einen sicheren Betrieb ohne Kippen des Motors erlaubt, allerdings hat dies den Nachteil, dass der bei der tatsächlichen Last physikalisch mögliche Drehzahlbereich nicht einmal annähernd ausgenutzt wird.
Dem im Folgenden beschriebene Verfahren liegt die Idee zugrunde, die Anzahl der durchgeführten Messungen der Gegen-EMK bzw. einer für diese indikativen Messgröße zu überwachen und sicherzustellen, dass mindestens eine vorbestimmte Anzahl von Messungen durchgeführt wird, oder anders ausgedrückt, dass das in Fig. 3 dargestellte Messfenster Tm1 zwischen Demagnetisierung und Kommutierung ausreichend groß ist. Fig. 5 zeigt ein Flussdiagramm dieses Verfahrens zur Anpassung des Drehzahlbereichs des Elektromotors 100. Im dargestellten Verfahren wird die Gegen-EMK anhand einer Messung der Klemmenspannung Uv im Wicklungsstrang 130V ermittelt, es ist aber selbstverständlich auch möglich, einen oder mehrere der anderen Wicklungsstränge heranzuziehen.
In Schritt S10 wird eine maximal zulässige Drehzahl Nmax initialisiert, vorliegend auf z.B. 2000 U/min. Diese maximal zulässige Drehzahl Nmax ist eine beispielsweise in einem Speicher im Steuergerät 160 abgelegte Variable, die durch das vorliegende Verfahren in Abhängigkeit von den momentanen Betriebsbedingungen wie z.B. der Last eingestellt wird, und die kleiner oder gleich der physikalisch möglichen maximalen Drehzahl des Motors ist. Das Steuergerät 160 regelt dabei die Drehzahl des Elektromotors 100 derart, dass die tatsächliche Drehzahl die maximal zulässige Drehzahl Nmax nicht überschreitet.
In Schritt S20 werden die Messungszähler Zrf, Zff und der Ereignisauftrittszähler Zevent auf Null initialisiert. Die Messungszähler Zrf, Zff zählen jeweils die Anzahl der durchgeführten Messungen bei steigender Flanke und fallender Flanke der Gegen-EMK. Der Ereignisauftrittszähler Zevent wird weiter unten erläutert.
In Schritt S30 wird abgewartet, dass die Demagnetisierung nach der ersten Kommutie- rung abgeschlossen ist, was z.B. daran erkannt werden kann, dass der Wicklungsstrom Iv den Wert 0 erreicht. In Schritt S40 wird die Klemmenspannung Uv gemessen, wobei der Zeitpunkt dieser Messung innerhalb der oben beschriebenen Messfenster Tm1 und Tm2 liegt. Im darauffolgenden Schritt S50 wird der Zähler Zrf, welcher die Anzahl der Messungen bei steigender Flanke der Gegen-EMK anzeigt, z.B. um 1 inkrementiert. In Schritt S60 wird die gemessene Klemmenspannung Uv mit einem Schwellwert Uv_th verglichen. Ist Uv größer als Uv_th, so bedeutet dies, dass die Gegen-EMK in ihrer steigenden Flanke Null überschritten hat bzw. einen Nulldurchgang hatte, und das Verfahren schreitet fort zu Schritt S70. Anderenfalls springt das Verfahren zurück zu Schritt S40 und die Messung wird wiederholt. Auf Basis des festgestellten Nulldurchgangs der Gegen- EMK kann beispielsweise der Zeitpunkt der nächsten Kommutierung festgelegt werden.
Der nächste Nulldurchgang der Gegen-EMK wird an der fallenden Flanke festgestellt. Hierzu wird in Schritt S70 abgewartet, dass die Demagnetisierung nach der vierten Kommutierung abgeschlossen ist, was z.B. daran erkannt werden kann, dass der Wicklungs- ström Iv den Wert 0 erreicht bzw. unterschreitet.
In Schritt S80 wird die Klemmenspannung Uv gemessen, und im darauffolgenden Schritt S90 wird der Zähler Zff, welcher die Anzahl der Messungen bei fallender Flanke der Gegen-EMK anzeigt, um z.B. 1 inkrementiert.
In Schritt S100 wird die gemessene Klemmenspannung Uv mit einem Schwellwert Uv_th verglichen. Ist Uv kleiner als Uv_th, so bedeutet dies, dass die Gegen-EMK Null unterschritten hat bzw. einen Nulldurchgang hatte, und das Verfahren schreitet fort zu Schritt S1 10. Anderenfalls springt das Verfahren zurück zu Schritt S80 und die Messung wird wiederholt. Auf Basis des festgestellten Nulldurchgangs der Gegen-EMK wird beispielsweise der Zeitpunkt der nächsten Kommutierung festgelegt.
In Schritt S1 10 werden die Zählwerte Zrf und Zff zur Summe Zsum aufaddiert. Der Wert von Zsum entspricht somit der Anzahl von Messungen der Klemmenspannung Uv, welche für die elektromotorische Kraft des Elektromotors indikativ ist, innerhalb einer elektrischen Periode T. Es ist auch möglich, die Zählwerte Zrf und Zff unter Vornahme einer Wichtung in einem bestimmten Verhältnis aufzuaddieren, also beispielsweise die Zählwerte Zrf der steigenden Flanke stärker zu berücksichtigen. Somit ist es möglich, qualitative Unterschiede in den Messungen bei steigender und fallender Flanke zu berücksichtigen.
Im Schritt S120 wird der Wert Zsum mit einem ersten Grenzwert Zth, welcher im vorliegenden Beispiel 3 beträgt, verglichen. Ist Zsum kleiner als der erste Grenzwert Zth, dann springt das Verfahren zu Schritt S130, anderenfalls springt es zu Schritt S140.
In Schritt S130 wird der Ereignisauftrittszähler Zevent um 1 inkrementiert. Dieser Ereignisauftrittszähler Zevent zählt, wie oft weniger als die kritische Anzahl von Messungen während einer elektrischen Periode durchgeführt wird. Ist dagegen Zsum nicht kleiner als der erste Grenzwert Zth, also nicht kleiner als 3, dann wird der Ereignisauftrittszähler Zevent in Schritt S140 auf Null zurückgesetzt.
In Schritt S150 wird der Ereignisauftrittszähler Zevent mit einem zweiten Grenzwert Zth2, z.B. 4, verglichen. Ist Zevent größer als der zweiter Grenzwert Zth2, dann springt das Ver- fahren zu Schritt S160, anderenfalls springt es zu Schritt S170.
In Schritt S160 wird die maximal zulässige Drehzahl Nmax reduziert, z.B. indem der aktuelle Wert Nmax um einen vorbestimmten Wert von z.B. 50 U/min reduziert wird. In Schritt S170 wird die die maximal zulässige Drehzahl Nmax unter bestimmten Voraussetzungen inkrementiert. Eine mögliche Bedingung für das Inkrementieren ist, dass der Ereignisauftrittszähler Zevent für ein bestimmtes Zeitintervall gleich Null ist. Eine weitere mögliche Bedingung ist, dass die, gegebenenfalls gemittelte, Summe Zsum der beiden Messzähler Zrf und Zff einen Grenzwert erreicht, der höher als der Grenzwert 3 ist. Somit wird für die Erhöhung der Drehzahl eine Hysterese festgelegt, die einen stabileren Betrieb ermöglicht. Eine weitere mögliche Bedingung ist, dass die maximal zulässige Drehzahl Nmax eine unter günstigsten Bedingungen physikalisch mögliche Drehzahl des Elektromotors nicht übersteigen darf. Noch eine mögliche Bedingung ist, dass die maximal zulässige Drehzahl Nmax nicht mehr als einen bestimmten, ggf. drehzahlabhängigen Wert größer ist als die momentane tatsächliche Drehzahl. Es ist auch möglich, die vorgenannten Bedingungen miteinander zu kombinieren. Ebenso ist es auch möglich, dass auch die Verringerung der maximal zulässigen Drehzahl Nmax nur nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls durchgeführt wird. Nach Schritt S160 bzw. S170 springt das Verfahren zurück zu Schritt S20 und die Messungen der EMK werden erneut durchgeführt.
Mit dem oben beschriebenen Verfahren erfolgt eine dynamische Anpassung der maximal zulässigen Drehzahl Nmax an die momentanen Lastbedingungen. Wird beispielsweise die tatsächliche Drehzahl N kontinuierlich gesteigert, dann verkleinert sich die elektrische Periode T, und somit auch das Messfenster Tm1 während dessen die Messung vorzunehmen ist. Durch das oben beschriebene Verfahren wird sichergestellt, dass eine bestimmte Mindestanzahl von Messungen, im vorliegenden Beispiel 3 Messungen, pro elektrischer Periode durchgeführt wird. Als Kippkriterium ist also hier festgelegt, dass die Anzahl der Messungen weniger als 3 beträgt. Ist dieses Kippkriterium gegeben, dann wird die maximal zulässige Drehzahl Nmax solange zurückgenommen, bis das Kippkriterium nicht mehr gegeben ist. Auf diese Weise kann der Antrieb den Lastverhältnissen ange- passt werden und die tatsächliche Drehzahl kann an die physikalisch mögliche Grenze herangefahren werden. Somit wird der Drehzahlbereich ausgedehnt, wobei gleichzeitig sichergestellt wird, dass der Motor nicht kippt bzw. instabil wird.
Im oben beschriebenen Verfahren werden die Messungen bei steigender und fallender Flanke der Gegen-EMK mit separaten Zählern gezählt, was eine gewichtete Summation ermöglicht, es ist jedoch auch möglich, die Anzahl der Messungen mit nur einem einzigen Zähler zu zählen.
Bezugszeichenliste:
100 Elektromotor
1 10 Spannungsversorgung
120 Wechselrichterbrücke
130U, 130V, 130W Wicklungsstränge
140 Stempunkt
150 Widerstand
160 Motorsteuerung
lu, Iv, Iw Wicklungsströme
Uu, Uv, Uw Klemmenspannungen
T elektrische Periode
Tm1 , Tm2 Messfenster
X1 ... X6 Steuersignale
Z0, Z_cm, Z_delay, Z_trigger_vm, Z_vm, Z_max Zählwerte

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Anpassung eines Drehzahlbereichs eines Elektromotors (100) gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- Durchführen einer Anzahl von Messungen einer Messgröße (Uv), die für eine elektromotorische Kraft (Ev) des Elektromotors (100) indikativ ist, innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer;
- Ermitteln der Anzahl (Zsum) der innerhalb der vorbestimmten Zeitdauer vorgenommenen Messungen, und
- Anpassen einer maximal zulässigen Drehzahl (Nmax) des Elektromotors (100) in Abhängigkeit von der ermittelten Anzahl (Zsum) von Messungen.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen der Messgröße (Uv) jeweils innerhalb der vorbestimmten Zeitdauer durchgeführt werden, bis ein Kriterium zur Erkennung eines Nulldurchgangs der elektromotorischen Kraft (Ev) erfüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das das Verfahren ferner folgende Schritte aufweist:
- Inkrementieren des Zählwerts (Zevent) eines Ereignisauftrittzählers, falls die ermittelte Anzahl (Zsum) von Messungen einen ersten Grenzwert (Zth1 ) unterschreitet,
- Dekrementieren oder Zurücksetzen des Zählwerts (Zevent) des Ereignisauftrittzählers, falls die ermittelte Anzahl (Zsum) von Messungen den ersten Grenzwert (Zth1 ) überschreitet, und
- Anpassen der maximal zulässigen Drehzahl (Nmax) in Abhängigkeit vom Zählwert (Zevent) des Ereignisauftrittzählers.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal zulässige Drehzahl (Nmax) reduziert wird, falls der Zählwert (Zevent) des Ereignisauftrittzählers einen zweiten Grenzwert (Zth2) überschreitet. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal zulässige Drehzahl (Nmax) vergrößert wird, falls der Zählwert (Zevent) des Ereignisauftrittzählers einen zweiten Grenzwert (Zth2) nicht überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal zulässige Drehzahl (Nmax) nur unter der weiteren Bedingung vergrößert wird, dass die ermittelte Anzahl (Zsum) von Messungen einen dritten Grenzwert überschreitet, der größer ist als der erste Grenzwert (Zth1 ).
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal zulässige Drehzahl (Nmax) nur unter der Bedingung vergrößert wird, dass der Zählwert (Zevent) des Ereignisauftrittzählers den zweiten Grenzwert (Zth2) für eine vorgegebene Zeitdauer nicht überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße (Uv) eine Klemmenspannung des Elektromotors (100) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (100) als Synchronmotor, insbesondere als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Zeitdauer einer elektrischen Periode (T) des Elektromotors (100) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Zeitdauer mindestens einem Messfenster (Tm1 ) zwischen De- magnetisierung und Kommutierung eines Wicklungsstrangs (130) des Elektromotors (100) entspricht. 12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Messungen zur Erkennung des Nulldurchgangs einer steigenden Flanke der Gegen-EMK und die Anzahl der Messungen zur Erkennung des Nulldurchgangs einer fallenden Flanke der Gegen-EMK mit separaten Zählern gezählt werden, deren Zählwerte (Zrf, Zff) anschließend aufsummiert werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zählwerte (Zrf, Zff) der Zähler gewichtet summiert werden.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromotorischen Kraft (Ev) eine bei Drehung des Elektromotors (100) induzierte Gegen-EMK ist.
15. Vorrichtung zur Anpassung eines Drehzahlbereichs eines Elektromotors (100), welche eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 durchzuführen.
16. Elektromotor aufweisend eine Vorrichtung nach Anspruch 14.
EP11722450.1A 2010-06-17 2011-05-31 Verfahren und vorrichtung zur anpassung eines drehzahlbereichs eines elektromotors Not-in-force EP2583379B1 (de)

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PL11722450T PL2583379T3 (pl) 2010-06-17 2011-05-31 Sposób oraz urządzenie do regulowania zakresu prędkości obrotowej silnika elektrycznego

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